《Process Safety and Environmental Protection》：Efficient, pure, and fast synthesis of Na
2CO
3 under mild conditions from concentrated
biogenic CO
2 sources using 50?wt% NaOH
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本研究针对传统二氧化碳捕获技术难以处理高纯度生物源CO2和高浓度碱液的瓶颈，开发了一种新型气液接触反应器，在温和条件下（88–91°C）实现了97.5%的CO2捕获效率，并合成了纯度达99.95%的Na2CO3。该策略为发酵工业等生物源CO2的资源化利用提供了绿色路径，年均可实现-8.54 Mt的负碳排放，对推动碳中和目标具有重要实践意义。
随着全球气候变化问题日益严峻，减少大气中的二氧化碳（CO2）浓度已成为国际社会的共同挑战。尽管可再生能源和能效提升措施被广泛提倡，但仅靠这些手段仍难以实现《巴黎协定》设定的控温目标。政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，到2050年需在2010年基础上减排72%，到2100年甚至需要实现78%–118%的减排。在此背景下，碳捕获、利用与封存（CCUS）技术，特别是负排放技术（NETs），被视为不可或缺的补充手段。然而，现有CO2捕获技术多针对化石燃料燃烧产生的稀释CO2流（浓度通常低于30%），且常使用低浓度吸收剂，难以直接适用于高纯度CO2源（如发酵过程中产生的生物源CO2，纯度可达95%以上）。此外，传统反应器在处理高浓度氢氧化钠（NaOH）溶液时易因碳酸钠（Na2CO3）沉淀而堵塞，操作温度区间也有限，限制了其效率与应用范围。
针对这一技术空白，由Abdessamad Gueddari-Aourir、Carlos Alonso-Moreno等人组成的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》上发表论文，提出并验证了一种名为“CO2-AFP策略”的创新方法。该策略旨在利用酿酒等发酵工业产生的高纯度生物源CO2，与高浓度NaOH溶液（最高达50 wt%）反应，直接合成高价值的工业产品Na2CO3（纯碱）。研究团队设计了一种定制化的气液混合反应器，通过优化搅拌器几何形状、转速和反应温度，成功在温和条件下实现了高效的CO2捕获和转化。实验结果表明，该策略的CO2捕获效率高达97.5%，整体气相传质系数（KG）达到16.13 ± 0.30 mm/s，显著优于传统NaOH吸收系统。所得Na2CO3产品纯度高达99.95%，符合商业重质纯碱标准，且水是唯一的副产物。生命周期评估显示，若在全球主要葡萄酒生产国推广该策略，每年可捕获约2.64 Mt CO2，生产约6.34 Mt 生物源纯碱，净负碳排放量可达-8.54 Mt CO2/年，成为一种有效的负排放技术（NET）。
为开展此项研究，作者团队主要运用了几项关键技术方法：首先是自主设计并搭建了一套半连续式夹套玻璃搅拌釜反应器，其核心在于采用无分布器的自由液面气腔设计，并系统测试了不同桨叶角度和径釜比（d/D）的搅拌桨，以研究流体动力学条件对传质的影响。其次，研究过程中精确控制了反应温度（考察了39–41°C、53–55°C、60–64°C和88–91°C等多个区间）和NaOH浓度（10–50 wt%）。第三，利用pH在线监测和沃德尔滴定法（Warder method）实时追踪NaOH消耗和Na2CO3生成。第四，对最终产物进行了全面的物化表征，包括X射线衍射（XRD）分析物相纯度、热重-差热分析（TG-DTA/DSC）确定结晶水含量、扫描电子显微镜（SEM）观察颗粒形貌。研究所用CO2直接来源于爱伦（Airén）葡萄汁接种酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的标准工业发酵过程，纯度≥95%。
3.1. 基于搅拌器几何形状的CO2捕获速率
研究发现，搅拌器的几何形状对CO2捕获效率有显著影响。当搅拌器直径与反应器直径之比（d/D）为0.4，且桨叶倾角为35°时，在88–91°C和300 rpm的搅拌速度下，捕获效率最高，达到97.50%。此时产生的流型为径向和轴向混合流，有利于气液接触表面的持续更新，维持较高的OH-浓度，从而强化传质和化学反应。d/D比大于0.4时，效率提升微乎其微，但能耗增加，经济性下降。
3.2. 传质系数分析
传质系数（KG）是评估吸收系统性能的关键参数。研究显示，KG随搅拌速度增加而升高，在350 rpm时达到最高。然而，考虑到避免飞溅和能耗，300 rpm被确定为最佳操作条件。温度对KG有双重影响：升高温度会降低CO2溶解度，但能减少液体粘度、增强扩散和混合。在88–91°C的高温条件下，尽管反应本身是放热反应，但降低粘度带来的传质增强效应占主导地位，使得KG在300 rpm时达到16.13 ± 0.30 mm/s的峰值，远高于使用稀NaOH溶液的传统系统（约3.06 mm/s）。
3.3. 基于反应温度的CO2捕获速率
反应温度是另一个关键参数。在39–64°C范围内，温度升高导致NaOH消耗动力学变差，这符合放热反应平衡移动的勒夏特列原理。然而，在88–91°C的高温区间，尽管溶解度有所下降，但液体粘度显著降低，湍流增强，传质过程得到极大改善，使得NaOH平均消耗速率达到1.417 ± 0.105 mol/m3·s，远高于中低温条件。动力学分析证实反应符合伪一级动力学，在88–91°C下的速率常数（k'）为-0.00843 min?1，比60–64°C时高出48%。
3.4. 产物表征
反应完成后，体系分为液相（4.1 M的Na2CO3饱和溶液）和固相（Na2CO3·H2O）。XRD分析表明产物为高纯度的一水合碳酸钠，无杂相。TGA显示其结晶水损失为14.5%，与理论值（14.52%）吻合。SEM图像显示一水合物为三角晶系晶体，经180°C干燥后变为无水Na2CO3，呈现单斜晶系假晶团聚体形貌，堆积密度为1055 kg/m3，达到商业重质纯碱标准（890–1150 kg/m3）。
3.5. CO2-AFP策略作为负排放技术（NET）
研究通过多区域投入产出生命周期评估（MRIO-LCA）框架评估了该策略的全球环境效益。计算表明，利用全球葡萄酒发酵过程产生的2.64 Mt/年CO2，以97.5%的效率进行捕获，可生产6.34 Mt/年的生物源纯碱。相较于传统的索尔维法（Solvay process）生产每吨纯碱产生约1.20吨CO2当量的碳足迹，CO2-AFP策略的粗碳足迹仅为0.239 kg CO2/kg Na2CO3。同时，该策略避免了索尔维法副产CaCl2的处理问题。综合计算，该策略每年可实现-8.54 Mt CO2的净全球碳平衡（BNet），确认为一种有效的负排放技术（NET）。
综上所述，这项研究成功验证了CO2-AFP策略的技术可行性。该策略创新性地将高纯度生物源CO2转化为高附加值化学品Na2CO3，过程高效、纯净，且仅在温和条件下进行。其核心优势在于：克服了传统设备处理高浓度试剂时易堵塞的难题；通过优化反应器流体力学和操作温度，实现了极高的CO2捕获效率和传质速率；产物纯度直接满足工业要求。更重要的是，该策略将CO2排放源（发酵过程）与吸收剂（NaOH，可来自氯碱工业）和产品（纯碱）市场联系起来，形成了一条符合循环经济和绿色化学原则的碳利用路径。作为负排放技术，它不仅直接减少大气CO2，还通过替代高碳足迹的传统纯碱生产，带来显著的碳减排效益。这项工作为处理高浓度生物源CO2提供了新的技术范式，展示了将工业过程与碳管理相结合的巨大潜力，对实现化学制造业的碳中性目标具有重要的启示和推动作用。未来的研究重点应放在中试规模的验证和工艺的进一步经济性优化上，以加速其产业化进程。
